ES2973080T3

ES2973080T3 - Noise reduction method

Info

Publication number: ES2973080T3
Application number: ES19753439T
Authority: ES
Inventors: Anthony J Matthews; Mark Patton; Jeremy White
Original assignee: Oxford Instruments Nanotechnology Tools Ltd
Current assignee: Oxford Instruments Nanotechnology Tools Ltd
Priority date: 2018-08-08
Filing date: 2019-08-07
Publication date: 2024-06-18
Anticipated expiration: 2039-08-07
Also published as: GB2576185B; EP3833912A1; WO2020030910A1; CN112689735A; KR20210042361A; US11835279B2; US20210310710A1; EP3833912B1; GB2576185A; EP3833912C0; CN112689735B; GB201812894D0; JP2021534364A

Abstract

Se proporciona un método para reducir el ruido en un sistema de enfriamiento criogénico asociado con un refrigerador mecánico que forma parte de dicho sistema de enfriamiento. El método comprende: monitorear las vibraciones en el sistema de enfriamiento durante el funcionamiento del refrigerador mecánico; y modular una frecuencia de funcionamiento del refrigerador mecánico basándose en las vibraciones monitorizadas para reducir la amplitud de dichas vibraciones. Esto permite reducir el ruido dentro del sistema de refrigeración. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)A method is provided for reducing noise in a cryogenic cooling system associated with a mechanical cooler that is part of said cooling system. The method comprises: monitoring vibrations in the cooling system during operation of the mechanical cooler; and modulating an operating frequency of the mechanical cooler based on the monitored vibrations to reduce the amplitude of said vibrations. This reduces noise within the cooling system. (Automatic translation with Google Translate, without legal value)

Description

DESCRIPCIÓNDESCRIPTION

Método de reducción de ruido Noise reduction method

Campo de la invenciónfield of invention

La presente invención se refiere a la reducción de ruido en sistemas de enfriamiento criogénicos. Esto tiene la intención de reducir el ruido asociado con un refrigerador mecánico acoplado a un sistema de enfriamiento de este tipo. The present invention relates to noise reduction in cryogenic cooling systems. This is intended to reduce the noise associated with a mechanical cooler coupled to such a cooling system.

AntecedentesBackground

Existen varios experimentos y procedimientos realizados a temperaturas criogénicas, tales como temperaturas inferiores a 77 Kelvin (K) o temperaturas alrededor o por debajo de 4 K. En el pasado, se han usado fluidos criogénicos tales como nitrógeno líquido y helio líquido para lograr estas temperaturas. Estos fluidos normalmente se producían en plantas de licuefacción dedicadas (que cuentan con potentes compresores mecánicos y etapas de expansión) y luego se transportaban (en forma líquida) a la zona experimental donde se consumía su poder de enfriamiento (también denominado capacidad de enfriamiento, es decir, su capacidad para proporcionar enfriamiento). Existía, por tanto, una separación entre la “producción” y el “consumo” de las fuentes de frío y el “ruido” asociado generado durante el procedimiento de producción de una fuente de frío. Sin embargo, ahora existe el deseo de lograr tales temperaturas manteniendo al mismo tiempo el uso de estos fluidos criogénicos al mínimo y, cuando sea posible, evitando su uso completamente. There are several experiments and procedures performed at cryogenic temperatures, such as temperatures below 77 Kelvin (K) or temperatures around or below 4 K. In the past, cryogenic fluids such as liquid nitrogen and liquid helium have been used to achieve these temperatures. . These fluids were typically produced in dedicated liquefaction plants (which have powerful mechanical compressors and expansion stages) and then transported (in liquid form) to the experimental area where their cooling power (also called cooling capacity, i.e.) was consumed. that is, its ability to provide cooling). There was, therefore, a separation between the “production” and “consumption” of cold sources and the associated “noise” generated during the production procedure of a cold source. However, there is now a desire to achieve such temperatures while keeping the use of these cryogenic fluids to a minimum and, where possible, avoiding their use altogether.

Esto ha dado como resultado el uso de refrigeradores mecánicos como reemplazo o complemento al uso de fluidos criogénicos. Hay muchas configuraciones de tales enfriadores mecánicos y funcionan en un intervalo de temperaturas: por ejemplo, un enfriador mecánico Gifford-McMahon o tubo de impulsos de una sola etapa puede proporcionar potencia de enfriamiento a temperaturas por debajo de 80 K; y un enfriador mecánico Gifford-McMahon o tubo de impulsos de dos etapas puede proporcionar potencia de enfriamiento a temperaturas por debajo de 4 K. Sin embargo, debido al uso de motores para accionar muchos tipos de refrigeradores mecánicos, el uso de refrigeradores mecánicos provoca ruido adicional dentro del sistema de enfriamiento en el que están colocados. Esto resulta indeseable porque, a menudo, los experimentos y procedimientos realizados en un sistema de enfriamiento refrigerado mecánicamente son muy sensibles y, por tanto, requieren que el ruido se mantenga al mínimo para evitar interrupciones y errores en los datos. This has resulted in the use of mechanical coolers as a replacement or complement to the use of cryogenic fluids. There are many configurations of such mechanical chillers and they operate over a range of temperatures: for example, a single-stage Gifford-McMahon or pulse tube mechanical chiller can provide cooling power at temperatures below 80 K; and a two-stage Gifford-McMahon or pulse tube mechanical chiller can provide cooling power at temperatures below 4 K. However, due to the use of motors to drive many types of mechanical chillers, the use of mechanical chillers causes noise. additional within the cooling system in which they are placed. This is undesirable because experiments and procedures performed in a mechanically cooled cooling system are often very sensitive and therefore require that noise be kept to a minimum to avoid interruptions and errors in the data.

Hay preocupaciones similares en cuanto al logro de temperaturas “ultra”-bajas (normalmente temperaturas por debajo de 1 K). A partir de helio-4 (4He) licuado es posible en principio lograr temperaturas ultrabajas sin necesidad de incorporar elementos mecánicos, por ejemplo el vapor por encima de un volumen que contiene 4He líquido puede reducirse con una bomba de adsorción hasta enfriarlo por debajo de 1 K. Con ello, puede condensarse un volumen de helio-3 (3He) y puede usarse una segunda bomba de adsorción para bombear vapor del 3He y, por tanto, enfriarlo por debajo de 300 miliKelvin (mK). Pueden usarse conceptos similares (aunque para disposiciones más complejas) para demostrar que pueden construirse refrigeradores de dilución que enfríen hasta temperaturas por debajo de 100 mK sin ningún elemento mecánico. Sin embargo, a menudo es deseable acoplar elementos mecánicos, tales como bombas mecánicas externas, a sistemas de temperatura ultrabaja, o bien para simplificar su construcción y/o funcionamiento, o bien para lograr un mayor rendimiento. En tal configuración, tales sistemas de temperatura ultrabaja también pueden considerarse refrigeradores mecánicos, y pueden acoplarse ellos mismos a otros refrigeradores mecánicos (posiblemente de diferentes configuraciones y que funcionen a diferentes temperaturas), tales como refrigeradores de tubo de impulsos para realizar sistemas de temperatura ultrabaja “libres de criógenos”. There are similar concerns regarding achieving “ultra”-low temperatures (typically temperatures below 1 K). From liquefied helium-4 (4He) it is possible in principle to achieve ultra-low temperatures without the need to incorporate mechanical elements, for example the vapor above a volume containing liquid 4He can be reduced with an adsorption pump until it is cooled below 1 K. With this, a volume of helium-3 (3He) can be condensed and a second adsorption pump can be used to pump vapor from the 3He and therefore cool it below 300 milliKelvin (mK). Similar concepts (although for more complex arrangements) can be used to demonstrate that dilution refrigerators can be constructed that cool to temperatures below 100 mK without any mechanical elements. However, it is often desirable to couple mechanical elements, such as external mechanical pumps, to ultra-low temperature systems, either to simplify their construction and/or operation, or to achieve higher performance. In such a configuration, such ultra-low temperature systems may also be considered mechanical coolers, and may themselves be coupled to other mechanical coolers (possibly of different configurations and operating at different temperatures), such as pulse tube coolers to realize ultra-low temperature systems. “free of cryogens”.

Como hay disponible una variedad de enfriadores mecánicos, gran parte de lo siguiente puede simplificarse considerando cómo se aplica a una realización específica de tal enfriador, tal como un enfriador de tubo de impulsos de doble etapa (es decir, un enfriador de 3 K o, dicho de otro modo, un refrigerador o enfriador capaz de enfriar hasta temperaturas de aproximadamente 3 K). Sin embargo, debe quedar claro que los puntos descritos también son aplicables en general a otros tipos de refrigeradores mecánicos. As a variety of mechanical chillers are available, much of the following can be simplified by considering how it applies to a specific embodiment of such a chiller, such as a dual-stage pulse tube chiller (i.e., a 3K chiller or, In other words, a refrigerator or chiller capable of cooling to temperatures of approximately 3 K). However, it should be clear that the points described are also generally applicable to other types of mechanical refrigerators.

Los usuarios de refrigeradores mecánicos (tales como los refrigeradores mecánicos de 3 K) a menudo consideran que el motor convencional suministrado con un refrigerador mecánico es la principal fuente de ruido generado por el refrigerador mecánico. Estos refrigeradores mecánicos se accionan usando motores eléctricos. Aunque los propios motores eléctricos pueden ser una fuente de ruido eléctrico, comúnmente también generan ruido inducido por vibraciones mecánicas, que es una cuestión principal en este caso. Users of mechanical coolers (such as 3K mechanical coolers) often consider the conventional motor supplied with a mechanical cooler to be the main source of noise generated by the mechanical cooler. These mechanical refrigerators are powered using electric motors. Although electric motors themselves can be a source of electrical noise, they commonly also generate noise induced by mechanical vibrations, which is a primary issue here.

El período en el que el refrigerador mecánico se acciona por este motor puede introducir ruido a través de vibraciones mecánicas en el sistema. Puede acoplarse microfonía en el cableado experimental generada por estas vibraciones al cableado experimental conectado a muestras sensibles, dando como resultado ruido eléctrico dentro de un circuito de medición. The period in which the mechanical cooler is driven by this motor can introduce noise through mechanical vibrations into the system. Experimental wiring microphony generated by these vibrations can be coupled to experimental wiring connected to sensitive samples, resulting in electrical noise within a measurement circuit.

Con el fin de proporcionar un entorno dentro del cual se minimicen los niveles de vibración en la medida de lo posible para experimentos y procedimientos que sean sensibles al ruido generado de esa manera, como los que se relacionan con la computación cuántica, se necesita un medio de reducción del ruido. In order to provide an environment within which vibration levels are minimized as far as possible for experiments and procedures that are sensitive to noise generated in this way, such as those related to quantum computing, a means is needed. noise reduction.

El documento US 2018/0216853 A1 da a conocer un sistema de refrigeración que incluye detectores, cada uno de los cuales detecta una fase indicativa de un desplazamiento de un desplazador de cada uno de los refrigeradores criogénicos; un procesador que calcula una frecuencia de funcionamiento de un motor de cada uno de los refrigeradores criogénicos, que es una frecuencia que suprime las oscilaciones o los ruidos generados por los movimientos alternativos del desplazador de cada uno de los refrigeradores criogénicos, basándose en un resultado de detección obtenido por cada uno de los detectores; y accionadores, cada uno de los cuales acciona el motor de cada uno de los refrigeradores criogénicos basándose en un resultado de cálculo obtenido por el procesador. US 2018/0216853 A1 discloses a cooling system that includes detectors, each of which detects a phase indicative of a displacement of a displacer of each of the cryogenic refrigerators; a processor that calculates an operating frequency of a motor of each of the cryocoolers, which is a frequency that suppresses oscillations or noises generated by the reciprocating movements of the displacer of each of the cryocoolers, based on a result of detection obtained by each of the detectors; and actuators, each of which drives the motor of each of the cryocoolers based on a calculation result obtained by the processor.

El documento US 2014/0245757 A1 da a conocer un aparato para controlar un sistema de enfriamiento criogénico. Se dan a conocer una línea de gas de suministro y una línea de gas de retorno, que están acopladas a un compresor y a un refrigerador mecánico a través de un elemento de acoplamiento. El elemento de acoplamiento está en comunicación gaseosa con las líneas de gas de suministro y de retorno y suministra gas al refrigerador mecánico. La presión del gas suministrado se modula por el elemento de acoplamiento de manera cíclica. Un aparato de detección de presión monitoriza la presión en al menos una de las líneas de gas de suministro y de retorno. Se usa un sistema de control para modular la frecuencia de la presión cíclica de gas suministrada por el elemento de acoplamiento según la presión monitorizada por el aparato de detección de presión. US 2014/0245757 A1 discloses an apparatus for controlling a cryogenic cooling system. A supply gas line and a return gas line are disclosed, which are coupled to a compressor and a mechanical cooler through a coupling element. The coupling element is in gas communication with the supply and return gas lines and supplies gas to the mechanical cooler. The pressure of the supplied gas is modulated by the coupling element in a cyclic manner. A pressure sensing device monitors the pressure in at least one of the supply and return gas lines. A control system is used to modulate the frequency of the cyclic gas pressure supplied by the coupling element according to the pressure monitored by the pressure sensing apparatus.

El documento JP 2000199653 A da a conocer un método para controlar un refrigerador de pistón libre tipo Stirling que comprende un pistón que se mueve alternativamente dentro de una parte de guía sellada con gas de trabajo; y un elemento de desplazamiento soportado elásticamente de manera alternativa dentro de un cilindro, sellado con gas de trabajo, a través de la fuerza de un resorte, en el estado de temperatura estable del refrigerador Stirling, la frecuencia de accionamiento del pistón se controla en un estado óptimo a una frecuencia que responde a la constante de resorte del resorte para soportar elásticamente el elemento de desplazamiento. JP 2000199653 A discloses a method for controlling a Stirling-type free piston refrigerator comprising a piston reciprocating within a working gas sealed guide portion; and a displacement member elastically supported alternately inside a cylinder, sealed with working gas, through the force of a spring, in the stable temperature state of the Stirling cooler, the driving frequency of the piston is controlled in a optimal state at a frequency that responds to the spring constant of the spring to elastically support the displacement element.

Sumario de invenciónInvention Summary

Según un primer aspecto de la invención, se proporciona un método según la reivindicación 1. According to a first aspect of the invention, a method according to claim 1 is provided.

Una fuente de ruido significativa en los experimentos y procedimientos altamente sensibles que están llevándose a cabo ahora se debe a las vibraciones provocadas en el sistema de enfriamiento dentro del cual se realizan los experimentos y procedimientos. Se ha descubierto que estas vibraciones se provocan por el acoplamiento de armónicos de la frecuencia de funcionamiento del refrigerador mecánico y las resonancias estructurales del sistema de enfriamiento. Adicionalmente, se ha descubierto que al modular la frecuencia de funcionamiento del refrigerador mecánico, los niveles de ruido en el sistema de enfriamiento y en el sistema en su conjunto (en caso de que se unan otros componentes al sistema de enfriamiento) pueden reducirse significativamente sin aumentar la temperatura mínima que puede lograr el refrigerador mecánico. Como ejemplo, para un refrigerador de tubo de impulsos que funciona aproximadamente a 3 K, la temperatura mínima no se vio alterada en más de aproximadamente 0,3 K, pero la amplitud de las vibraciones, que provocan ruido dentro del sistema de enfriamiento, puede reducirse en aproximadamente un 50 %. Se ha descubierto que este nivel de reducción de ruido también puede aplicarse a otros refrigeradores mecánicos que enfrían, tal como los refrigeradores mecánicos que enfrían hasta una temperatura mínima de aproximadamente 3 K. A significant source of noise in the highly sensitive experiments and procedures now being carried out is due to vibrations caused in the cooling system within which the experiments and procedures are performed. These vibrations have been found to be caused by the coupling of harmonics of the operating frequency of the mechanical cooler and the structural resonances of the cooling system. Additionally, it has been discovered that by modulating the operating frequency of the mechanical cooler, the noise levels in the cooling system and in the system as a whole (in case other components are joined to the cooling system) can be significantly reduced without increase the minimum temperature that the mechanical refrigerator can achieve. As an example, for a pulse tube cooler operating at approximately 3 K, the minimum temperature was not altered by more than approximately 0.3 K, but the amplitude of the vibrations, which cause noise within the cooling system, may be reduced by approximately 50%. It has been found that this level of noise reduction can also be applied to other mechanical coolers that cool, such as mechanical coolers that cool down to a minimum temperature of about 3 K.

La modulación de la frecuencia de funcionamiento de los refrigeradores mecánicos altera el rendimiento térmico del refrigerador mecánico, por ejemplo alterando la potencia de enfriamiento máxima alcanzable y/o la temperatura mínima que puede alcanzar el refrigerador mecánico. Por tanto, esto anteriormente se consideraba indeseable porque el objetivo principal de un refrigerador mecánico es enfriar hasta la temperatura más baja posible de la manera más eficiente y rápida posible. Sin embargo, se ha descubierto que la cantidad de reducción de ruido indicada anteriormente puede lograrse evitando alterar la temperatura mínima. Usando el ejemplo de un refrigerador mecánico de 3 K, se descubrió que puede alcanzarse la temperatura mínima al tiempo que se evita alterar esta temperatura en más de aproximadamente 0,1 K. Según los puntos anteriores, también se ha descubierto que esta reducción en la alteración de la temperatura también puede aplicase a otros refrigeradores mecánicos, tales como los refrigeradores mecánicos que enfrían hasta una temperatura mínima de aproximadamente 3 K. Modulating the operating frequency of mechanical coolers alters the thermal performance of the mechanical cooler, for example by altering the maximum achievable cooling power and/or the minimum temperature that the mechanical cooler can reach. Therefore, this was previously considered undesirable because the main purpose of a mechanical refrigerator is to cool to the lowest possible temperature as efficiently and quickly as possible. However, it has been found that the amount of noise reduction indicated above can be achieved by avoiding altering the minimum temperature. Using the example of a 3 K mechanical refrigerator, it was found that the minimum temperature can be achieved while avoiding altering this temperature by more than about 0.1 K. Based on the points above, it has also been found that this reduction in the Temperature alteration can also be applied to other mechanical coolers, such as mechanical coolers that cool to a minimum temperature of about 3 K.

El ruido que está monitorizándose puede ser ruido asociado con una pluralidad de refrigeradores mecánicos. Según la invención, el ruido que está monitorizándose es ruido asociado sólo con un único refrigerador mecánico. Esto permite minimizar las vibraciones provocadas por el único refrigerador mecánico modulando la frecuencia de funcionamiento del único refrigerador mecánico. En situaciones, que no forman parte de la presente invención, en las que hay múltiples refrigeradores funcionando, una estrategia es simplemente garantizar que no haya dos refrigeradores funcionando con la misma frecuencia. Esto es para intentar evitar “duplicar” el ruido a esa frecuencia (por ejemplo debido a la superposición de vibraciones). Esto puede lograrse simplemente monitorizando las frecuencias de funcionamiento de cada enfriador y asegurándose de que ninguna sea igual). Esto no es lo que se describe en el presente documento. Según la invención, al medir que hay una amplitud real de vibración en el sistema final, puede considerarse la “función de transferencia” completa de cada elemento vibratorio al sistema completo. De hecho, puede darse el caso de que la desintonización de dos componentes ligeramente pueda dar como resultado que se produzcan latidos a una frecuencia mucho más baja que afecte más gravemente a la amplitud de vibración general del sistema completo. Tal comportamiento puede detectarse y corregirse cuando puede medirse la amplitud de vibración general. The noise being monitored may be noise associated with a plurality of mechanical coolers. According to the invention, the noise being monitored is noise associated with only a single mechanical cooler. This makes it possible to minimize the vibrations caused by the single mechanical cooler by modulating the operating frequency of the single mechanical cooler. In situations, not part of the present invention, where there are multiple refrigerators operating, one strategy is to simply ensure that no two refrigerators are operating at the same frequency. This is to try to avoid “doubling” the noise at that frequency (for example due to overlapping vibrations). This can be achieved by simply monitoring the operating frequencies of each chiller and ensuring that none of them are the same. This is not what is described in this document. According to the invention, by measuring that there is an actual amplitude of vibration in the final system, the complete "transfer function" of each vibrating element to the entire system can be considered. In fact, it may be the case that detuning two components slightly may result in beats occurring at a much lower frequency that more severely affects the overall vibration amplitude of the entire system. Such behavior can be detected and corrected when the overall vibration amplitude can be measured.

Mediante la expresión “modular la frecuencia de funcionamiento” quiere decirse que la frecuencia de funcionamiento del refrigerador mecánico se ajusta al menos desde una primera frecuencia hasta una segunda frecuencia. Se pretende que esto abarque al menos un único ajuste desde una primera frecuencia hasta una segunda frecuencia, un cambio continuo de un lado a otro entre una primera y una segunda frecuencia, haciendo que el funcionamiento del refrigerador mecánico sea pulsado, tal como cambiando entre en funcionamiento y no en funcionamiento, o ajustando la primera frecuencia hasta una segunda frecuencia a al menos una o más frecuencias adicionales secuencialmente a lo largo de un espectro de frecuencia. Modular la frecuencia de funcionamiento que comprende ajustar la frecuencia de funcionamiento desde una primera frecuencia hasta una segunda frecuencia proporciona un procedimiento sencillo y eficaz para reducir el ruido. By the expression "modulating the operating frequency" it is meant that the operating frequency of the mechanical refrigerator is adjusted at least from a first frequency to a second frequency. This is intended to encompass at least a single adjustment from a first frequency to a second frequency, a continuous change back and forth between a first and a second frequency, causing the operation of the mechanical refrigerator to be pulsed, such as switching between operating and not operating, or by adjusting the first frequency up to a second frequency to at least one or more additional frequencies sequentially along a frequency spectrum. Modulating the operating frequency which comprises adjusting the operating frequency from a first frequency to a second frequency provides a simple and effective method for reducing noise.

Normalmente hay muchos componentes de un refrigerador mecánico que tienen el potencial de generar ruido, como vibraciones. Por consiguiente, la frecuencia de funcionamiento de cualquier componente de un refrigerador mecánico que se accione y pueda provocar vibraciones puede modularse con el fin de modular la frecuencia de funcionamiento del refrigerador mecánico. Sin embargo, normalmente, modular la frecuencia de funcionamiento del refrigerador mecánico comprende modular la frecuencia de funcionamiento de un motor de accionamiento del refrigerador mecánico. There are typically many components of a mechanical refrigerator that have the potential to generate noise, such as vibrations. Accordingly, the operating frequency of any component of a mechanical cooler that is driven and may cause vibrations can be modulated in order to modulate the operating frequency of the mechanical cooler. Typically, however, modulating the operating frequency of the mechanical cooler comprises modulating the operating frequency of a driving motor of the mechanical cooler.

El motor de accionamiento de un refrigerador mecánico define la frecuencia fundamental a la que se generan las vibraciones y mediante la modulación de la frecuencia de este motor puede ajustarse la frecuencia fundamental del enfriador mecánico. Sin embargo, dado que el motor de accionamiento tiene un efecto sobre la potencia de enfriamiento y la temperatura mínima que puede alcanzar un refrigerador mecánico, anteriormente no era deseable ajustar la frecuencia de funcionamiento del motor de accionamiento. Se ha descubierto que modular la frecuencia de funcionamiento del motor de accionamiento permite alterar la contribución del refrigerador mecánico a los niveles de vibración dentro del sistema en su conjunto, creando un beneficio mayor que la desventaja asociada de afectar de manera perjudicial al rendimiento térmico del refrigerador mecánico. The drive motor of a mechanical cooler defines the fundamental frequency at which vibrations are generated and by modulating the frequency of this motor the fundamental frequency of the mechanical cooler can be adjusted. However, since the drive motor has an effect on the cooling power and the minimum temperature that a mechanical cooler can reach, it was previously undesirable to adjust the operating frequency of the drive motor. It has been found that modulating the operating frequency of the drive motor allows the contribution of the mechanical cooler to be altered to the vibration levels within the system as a whole, creating a benefit greater than the associated disadvantage of detrimentally affecting the thermal performance of the cooler. mechanic.

El motor de accionamiento puede ser cualquier forma de motor, aunque normalmente el motor de accionamiento es un motor paso a paso. Esto también puede aplicarse a un enfriador de tubo de impulsos de 3 K. Preferiblemente, puede controlarse la velocidad de paso del motor paso a paso. El motor de accionamiento que es un motor paso a paso permite controlar la cantidad de rotación aplicada al refrigerador mecánico por el motor, y la velocidad de paso del motor paso a paso que puede controlarse permite que se altere la frecuencia de rotación (que corresponde a la frecuencia de accionamiento del motor). The drive motor may be any form of motor, although typically the drive motor is a stepper motor. This can also be applied to a 3K pulse tube cooler. Preferably, the stepping speed of the stepper motor can be controlled. The drive motor which is a stepper motor allows the amount of rotation applied to the mechanical cooler by the motor to be controlled, and the step speed of the stepper motor which can be controlled allows the rotation frequency (which corresponds to the motor drive frequency).

El motor de accionamiento puede accionar cualquier componente accionable del refrigerador mecánico. Normalmente, el motor de accionamiento acciona una válvula rotatoria del refrigerador mecánico durante el funcionamiento del refrigerador mecánico. Muchos refrigeradores mecánicos usan válvulas rotatorias como parte clave de su mecanismo de enfriamiento. Por consiguiente, el motor de accionamiento que acciona la válvula rotatoria hace que la modulación de la frecuencia de funcionamiento del motor de accionamiento provoque una modulación de la frecuencia de funcionamiento del refrigerador mecánico. Esto amplía las capacidades de reducción de vibraciones a la reducción de las vibraciones generadas por el acoplamiento del refrigerador mecánico a las resonancias estructurales del sistema en su conjunto. Según esto, normalmente, la frecuencia de funcionamiento es la frecuencia a la que rota la válvula rotatoria cuando está en uso. Esto también puede aplicarse a un enfriador de tubo de impulsos de 3 K. The drive motor can drive any driveable component of the mechanical refrigerator. Normally, the drive motor drives a rotary valve of the mechanical cooler during operation of the mechanical cooler. Many mechanical refrigerators use rotary valves as a key part of their cooling mechanism. Accordingly, the drive motor driving the rotary valve causes the modulation of the operating frequency of the drive motor to cause a modulation of the operating frequency of the mechanical cooler. This extends the vibration reduction capabilities to the reduction of vibrations generated by coupling the mechanical cooler to the structural resonances of the system as a whole. According to this, normally, the operating frequency is the frequency at which the rotary valve rotates when in use. This can also apply to a 3K pulse tube cooler.

Preferiblemente, la frecuencia de funcionamiento puede ser de entre aproximadamente 1,20 Hz y aproximadamente 1,90 Hz. Todavía más preferiblemente, la frecuencia de funcionamiento puede ser de entre aproximadamente 1,30 Hz y 1,50 Hz. Normalmente, cuando se modula la frecuencia de funcionamiento, la frecuencia de funcionamiento se modula dentro de uno de estos intervalos de frecuencia. Esto mantiene al mínimo el efecto de la modulación de frecuencia sobre el rendimiento térmico del refrigerador mecánico. Esto también puede aplicarse a un enfriador de tubo de impulsos de 3 K. Preferably, the operating frequency may be between about 1.20 Hz and about 1.90 Hz. Even more preferably, the operating frequency may be between about 1.30 Hz and 1.50 Hz. Typically, when modulated the operating frequency, the operating frequency is modulated within one of these frequency ranges. This keeps the effect of frequency modulation on the thermal performance of the mechanical cooler to a minimum. This can also apply to a 3K pulse tube cooler.

El refrigerador mecánico puede ser cualquier forma de refrigerador mecánico tal como un refrigerador Stirling, un refrigerador Gifford-McMahon (GM) o un refrigerador de dilución, por ejemplo, que puede hacerse funcionar con una bomba de presión externa y/o un sistema de compresión. Sin embargo, normalmente el refrigerador mecánico es un refrigerador de tubo de impulsos (PTR, también denominado enfriador de tubo de impulsos). Es preferible usar los PTR en experimentos y procedimientos que sean altamente sensibles. Esto se debe a que la única parte física móvil de un PTR (aparte del fluido de trabajo contenido en su interior) es la válvula rotatoria. The mechanical chiller may be any form of mechanical chiller such as a Stirling chiller, a Gifford-McMahon (GM) chiller or a dilution chiller, for example, which may be operated with an external pressure pump and/or a compression system. . However, usually the mechanical cooler is a pulse tube cooler (PTR, also called pulse tube cooler). It is preferable to use PTRs in experiments and procedures that are highly sensitive. This is because the only moving physical part of a PTR (other than the working fluid contained within) is the rotary valve.

Como tal, el uso de un PTR como refrigerador mecánico permite aplicar el método en entornos altamente sensibles para permitir que se produzcan datos de alta calidad manteniendo el ruido al mínimo, ya que la mayor parte del ruido se provocará por las vibraciones generadas por el movimiento de la válvula rotatoria de los pTr . El PTR puede ser un PTR de 3K. As such, the use of a PTR as a mechanical cooler allows the method to be applied in highly sensitive environments to allow high quality data to be produced while keeping noise to a minimum, as most of the noise will be caused by vibrations generated by motion. pTr rotary valve. The PTR can be a 3K PTR.

Aunque algunas realizaciones de refrigeradores de dilución pueden considerarse no refrigeradores mecánicos, se incluyen refrigeradores de dilución en la lista anterior de refrigeradores mecánicos que pueden usarse en el primer aspecto. Esto se debe a que, tal como se estableció anteriormente, los componentes mecánicos que ayudan con el enfriamiento proporcionado por tal refrigerador pueden acoplarse al refrigerador de dilución durante su uso. Esto significa que los refrigeradores de dilución tienen componentes mecánicos y, por tanto, entran dentro del significado previsto de refrigeradores mecánicos aplicable al primer aspecto. Además, el uso de tales componentes externos con los refrigeradores de dilución es similar al uso de componentes externos para otros refrigeradores mecánicos, tales como los PTR. Por ejemplo, los refrigeradores mecánicos de 4 K (tales como los PTR) habitualmente funcionan usando 4He como fluido de trabajo. También se han construido algunos PTR especializados usando 3He para alcanzar temperaturas más bajas (aunque se trata de “demostradores de investigación” más que para uso práctico). El 4He se suministra al sistema desde una disposición de compresor externo mediante la cual se impone un régimen de presión oscilante “alta” y “baja” para promover el movimiento del 4He dentro del refrigerador. De manera comparable, los refrigeradores de dilución dependen del movimiento del 3He dentro del refrigerador, pero en un flujo continuo (en lugar de oscilante). A menudo se emplea un sistema externo de bombeo/compresión de “baja” y “alta” presión para promover este flujo. Este sistema externo para manejar el 3He puede consistir, por ejemplo, en bombas turbomoleculares (a menudo con frecuencias de rotación típicas de aproximadamente 500 Hz a 900 Hz), bombas rotatorias (a menudo con frecuencias de rotación típicas de aproximadamente 30 Hz a 70 Hz), y bombas compresoras (a menudo con frecuencias de rotación típicas de aproximadamente 30 Hz a 70 Hz). Cualquiera de estas frecuencias podría acoplarse a modos vibratorios del sistema de enfriamiento de la manera descrita en el presente documento, y el impacto también podría mitigarse de manera similar a cualquier refrigerador mecánico del sistema adjunto. Por ejemplo, ajustar la velocidad de funcionamiento de una turbobomba desde 820 Hz hasta 819 Hz no tendría ningún impacto práctico sobre su velocidad de bombeo, pero podría garantizar que no esté funcionando a una frecuencia resonante (o algún armónico de una frecuencia resonante). Por tanto, normalmente, los refrigeradores mecánicos aplicables que pueden usarse con el sistema de enfriamiento pueden incluir solo los refrigeradores mecánicos enumerados en el párrafo anterior. Although some embodiments of dilution refrigerators may be considered non-mechanical refrigerators, dilution refrigerators are included in the above list of mechanical refrigerators that can be used in the first aspect. This is because, as stated above, the mechanical components that assist with the cooling provided by such a refrigerator can be attached to the dilution refrigerator during its use. This means that dilution refrigerators have mechanical components and therefore fall within the intended meaning of mechanical refrigerators applicable to the first aspect. Furthermore, the use of such external components with dilution coolers is similar to the use of external components for other mechanical coolers, such as PTRs. For example, 4K mechanical coolers (such as PTRs) typically operate using 4He as the working fluid. Some specialized PTRs have also been built using 3He to achieve lower temperatures (although these are for “research demonstrators” rather than for practical use). The 4He is supplied to the system from an external compressor arrangement whereby an oscillating “high” and “low” pressure regime is imposed to promote the movement of the 4He within the refrigerator. Comparably, dilution refrigerators rely on the movement of 3He within the refrigerator, but in a continuous (rather than oscillating) flow. An external “low” and “high” pressure pumping/compression system is often employed to promote this flow. This external system for handling 3He may consist, for example, of turbomolecular pumps (often with typical rotation frequencies of about 500 Hz to 900 Hz), rotary pumps (often with typical rotation frequencies of about 30 Hz to 70 Hz). ), and compressor pumps (often with typical rotation frequencies of approximately 30 Hz to 70 Hz). Any of these frequencies could be coupled to vibrational modes of the cooling system in the manner described herein, and the impact could also be mitigated similarly to any attached mechanical system cooler. For example, adjusting the operating speed of a turbopump from 820 Hz to 819 Hz would have no practical impact on its pumping speed, but could ensure that it is not operating at a resonant frequency (or some harmonic of a resonant frequency). Therefore, normally, the applicable mechanical coolers that can be used with the cooling system may include only the mechanical coolers listed in the previous paragraph.

En una primera alternativa, la frecuencia de funcionamiento puede modularse por un usuario basándose en las vibraciones monitorizadas. Esto permite que el usuario seleccione cuánto modular la frecuencia y qué modulación ha de aplicarse. In a first alternative, the operating frequency can be modulated by a user based on the monitored vibrations. This allows the user to select how much to modulate the frequency and what modulation to apply.

En una segunda alternativa, la frecuencia de funcionamiento puede modularse automáticamente basándose en las vibraciones monitorizadas. Esto permite modular la frecuencia de funcionamiento basándose en la realimentación continua. Esto permite modular la frecuencia de funcionamiento para tener en cuenta cualquier cambio en las vibraciones monitorizadas en caso de que se detecte alguna mientras se monitorizan las vibraciones. Por consiguiente, la modulación de frecuencia puede aplicarse dinámicamente en reacción a cambios en las vibraciones monitorizadas provocadas por cambios en el sistema de enfriamiento criogénico. In a second alternative, the operating frequency can be automatically modulated based on the monitored vibrations. This allows the operating frequency to be modulated based on continuous feedback. This allows the operating frequency to be modulated to take into account any changes in the monitored vibrations should any be detected while vibrations are being monitored. Accordingly, frequency modulation can be applied dynamically in reaction to changes in the monitored vibrations caused by changes in the cryogenic cooling system.

La modulación de la frecuencia de funcionamiento puede lograrse porque la señal de desplazamiento del refrigerador mecánico que está monitorizándose puede usarse como señal de realimentación para modular la frecuencia de funcionamiento del refrigerador mecánico. Mediante la expresión “señal de desplazamiento” quiere decirse la señal detectada producida por vibraciones, provocando de ese modo desplazamiento debido a la amplitud de las vibraciones. Además, la expresión “señal de realimentación” pretende significar la realimentación que se proporciona para permitir que se module la frecuencia de funcionamiento. Mediante el uso de la señal de desplazamiento como señal de realimentación, se tiene en cuenta la función de transferencia completa del sistema y se optimiza su rendimiento directamente. Modulation of the operating frequency can be achieved because the displacement signal of the mechanical cooler being monitored can be used as a feedback signal to modulate the operating frequency of the mechanical cooler. By the term "displacement signal" is meant the detected signal produced by vibrations, thereby causing displacement due to the amplitude of the vibrations. Furthermore, the term "feedback signal" is intended to mean feedback that is provided to allow the operating frequency to be modulated. By using the shift signal as a feedback signal, the entire transfer function of the system is taken into account and its performance is directly optimized.

Las vibraciones que provocan ruido pueden monitorizarse mediante cualquier método conocido de monitorización de vibraciones. Normalmente, las vibraciones se monitorizan mediante una sonda colocada en contacto con el sistema de enfriamiento. Esto permite una interacción directa entre el sistema de enfriamiento en el que se producen las vibraciones y el sistema en su conjunto para monitorizar las vibraciones. Noise-causing vibrations can be monitored by any known vibration monitoring method. Typically, vibrations are monitored using a probe placed in contact with the cooling system. This allows direct interaction between the cooling system in which the vibrations occur and the system as a whole to monitor the vibrations.

La sonda puede ser cualquier tipo de sensor que pueda monitorizar vibraciones. Sin embargo, normalmente la sonda es un acelerómetro. El uso de un acelerómetro es más sencillo que el de otros sensores de desplazamiento, tales como geófonos o sensores ópticos. Esto se debe a que se descubrió que un acelerómetro era más fácil de usar y más robusto que otros sensores, además de ser adecuado para su uso a temperatura ambiente y a vacío a temperaturas criogénicas. The probe can be any type of sensor that can monitor vibrations. However, typically the probe is an accelerometer. The use of an accelerometer is simpler than other displacement sensors, such as geophones or optical sensors. This is because an accelerometer was found to be easier to use and more robust than other sensors, as well as being suitable for use at room temperature and in vacuum at cryogenic temperatures.

La sonda puede colocarse en contacto con cualquier parte del sistema de enfriamiento, tal como un armazón, o en contacto con una muestra. Normalmente, la sonda se coloca en contacto con un criostato compuesto por el sistema de enfriamiento. Esto permite colocar la sonda en el exterior del criostato, lo que significa que no es necesario que pueda soportar temperaturas criogénicas ni ciclos de temperatura. Esto también permite que la sonda se coloque en contacto con el componente más grande del sistema de enfriamiento en el que se detectarán la mayor parte de las vibraciones. The probe can be placed in contact with any part of the cooling system, such as a frame, or in contact with a sample. Typically, the probe is placed in contact with a cryostat composed of the cooling system. This allows the probe to be placed on the outside of the cryostat, meaning it does not need to be able to withstand cryogenic temperatures or temperature cycling. This also allows the probe to be placed in contact with the largest component of the cooling system where most of the vibrations will be detected.

Alternativamente, las vibraciones pueden monitorizarse mediante una sonda colocada en contacto con un objetivo de enfriamiento del sistema de enfriamiento. Esto hace posible monitorizar cualquier equipo de usuario adicional, tal como un experimento de usuario, que sería el objetivo de cualquier enfriamiento que se aplique dentro del sistema de enfriamiento si el equipo de usuario es sensible a las vibraciones. Esto permitiría tener en cuenta tal sensibilidad cuando se modula una frecuencia de funcionamiento para optimizar adicionalmente las condiciones del equipo. Alternatively, vibrations can be monitored by a probe placed in contact with a cooling target of the cooling system. This makes it possible to monitor any additional user equipment, such as a user experiment, which would be the target of any cooling applied within the cooling system if the user equipment is sensitive to vibrations. This would allow such sensitivity to be taken into account when modulating an operating frequency to further optimize equipment conditions.

Normalmente, la frecuencia de funcionamiento puede modularse para desacoplar sustancialmente al menos un armónico de la frecuencia de funcionamiento del refrigerador mecánico de una resonancia estructural del sistema de enfriamiento y del sistema en su conjunto. Cuando un armónico de frecuencia de funcionamiento de un refrigerador mecánico tiene una frecuencia similar a una frecuencia de una resonancia estructural del sistema de enfriamiento criogénico, el armónico y la resonancia estructural se acoplan. Esto provoca una vibración amplificada dentro del sistema de enfriamiento debido a la resonancia estructural accionada por el armónico acoplado. Esta amplitud de vibración aumentada puede acoplarse a líneas de medición eléctrica a través de microfonía que puede generar ruido dentro de un circuito de medición. El desacoplamiento del al menos un armónico y la resonancia estructural reduce la amplificación y por tanto reduce el ruido. Typically, the operating frequency can be modulated to substantially decouple at least one harmonic of the operating frequency of the mechanical cooler from a structural resonance of the cooling system and the system as a whole. When an operating frequency harmonic of a mechanical refrigerator has a frequency similar to a frequency of a structural resonance of the cryogenic cooling system, the harmonic and the structural resonance become coupled. This causes amplified vibration within the cooling system due to structural resonance driven by the coupled harmonic. This increased vibration amplitude can be coupled to electrical measurement lines through microphonics which can generate noise within a measurement circuit. The decoupling of at least one harmonic and structural resonance reduces amplification and therefore reduces noise.

Preferiblemente, el al menos un armónico de la frecuencia de funcionamiento y la resonancia estructural del sistema de enfriamiento pueden desacoplarse sustancialmente ajustando la frecuencia de funcionamiento del refrigerador mecánico. Al ajustar la frecuencia de funcionamiento del refrigerador mecánico, puede aumentarse la diferencia en la frecuencia entre el armónico y la resonancia estructural, desacoplando el armónico y la resonancia estructural. Tal como se mencionó anteriormente, esto reduce la amplitud de cualquier vibración producida debido a la coincidencia armónico y resonancia estructural. Preferably, the at least one harmonic of the operating frequency and the structural resonance of the cooling system can be substantially decoupled by adjusting the operating frequency of the mechanical cooler. By adjusting the operating frequency of the mechanical cooler, the difference in frequency between the harmonic and the structural resonance can be increased, decoupling the harmonic and the structural resonance. As mentioned above, this reduces the amplitude of any vibration produced due to harmonic coincidence and structural resonance.

El ajuste de la frecuencia de funcionamiento del refrigerador mecánico puede lograrse monitorizando la amplitud de los picos basándose en el análisis de la anchura a media altura (FWHM) de una resonancia estructural o pico armónico, o monitorizando una separación específica de picos. Normalmente, la frecuencia de funcionamiento se ajusta a lo largo de un intervalo de frecuencia para identificar la frecuencia a la que los picos de resonancia y/o armónicos son mínimos y seleccionar esa frecuencia. Esto puede lograrse monitorizando las amplitudes de vibración, tal como monitorizando una salida de vibraciones a lo largo de un intervalo de frecuencia e identificando cuándo las vibraciones son mínimas. También sería posible monitorizar picos correspondientes a datos estructurales en los datos de medición si el equipo del usuario es sensible a las vibraciones. Adjustment of the operating frequency of the mechanical cooler can be achieved by monitoring the peak amplitude based on the width at half height (FWHM) analysis of a structural resonance or harmonic peak, or by monitoring a specific peak spacing. Typically, the operating frequency is adjusted over a frequency range to identify the frequency at which resonance peaks and/or harmonics are minimal and select that frequency. This can be achieved by monitoring vibration amplitudes, such as monitoring a vibration output over a frequency range and identifying when vibrations are minimal. It would also be possible to monitor peaks corresponding to structural data in the measurement data if the user's equipment is sensitive to vibrations.

Preferiblemente, la frecuencia de funcionamiento puede ajustarse en al menos 0,01 Hz. Se ha descubierto que esto permite lograr un grado adecuado de desacoplamiento de un armónico y la resonancia estructural. Preferably, the operating frequency can be adjusted to at least 0.01 Hz. It has been found that this allows an adequate degree of decoupling of a harmonic and structural resonance to be achieved.

Según un segundo aspecto de la invención, se proporciona un elemento de ajuste de frecuencia según la reivindicación 13. According to a second aspect of the invention, a frequency adjustment element according to claim 13 is provided.

Preferiblemente, el elemento de ajuste de frecuencia está adaptado para realizar el método según el primer aspecto. Preferably, the frequency adjustment element is adapted to perform the method according to the first aspect.

Según un tercer aspecto de la invención, se proporciona un sistema de enfriamiento criogénico según la reivindicación 15. According to a third aspect of the invention, a cryogenic cooling system is provided according to claim 15.

Breve descripción de figurasBrief description of figures

A continuación se describen en detalle ejemplos de un método de reducción de ruido y un correspondiente elemento de ajuste de frecuencia de frecuencia y sistema de enfriamiento criogénico, con referencia a las figuras adjuntas, en las que: Examples of a noise reduction method and a corresponding frequency adjustment element and cryogenic cooling system are described in detail below, with reference to the attached figures, in which:

La figura 1 muestra un diagrama de flujo de un método de reducción de ruido de ejemplo; Figure 1 shows a flowchart of an example noise reduction method;

la figura 2 muestra una vista esquemática de un sistema de enfriamiento criogénico de ejemplo para su uso en una realización de la presente invención; Figure 2 shows a schematic view of an example cryogenic cooling system for use in an embodiment of the present invention;

la figura 3 muestra un gráfico de la temperatura de funcionamiento de un refrigerador de tubo de impulsos de ejemplo frente a la frecuencia de la válvula rotatoria del refrigerador de tubo de impulsos; Figure 3 shows a graph of the operating temperature of an example pulse tube cooler versus the frequency of the rotary valve of the pulse tube cooler;

la figura 4 muestra un gráfico comparativo de vibraciones en un sistema de enfriamiento criogénico de ejemplo a lo largo de un espectro de frecuencia cuando un refrigerador de tubo de impulsos está funcionando y cuando el refrigerador de tubo de impulsos no está funcionando; Figure 4 shows a comparative graph of vibrations in an example cryogenic cooling system across a frequency spectrum when a pulse tube cooler is operating and when the pulse tube cooler is not operating;

la figura 5 muestra un gráfico que compara amplitudes de vibración a lo largo de un espectro de frecuencia a diferentes frecuencias de funcionamiento de refrigeradores de tubo de impulsos; y Figure 5 shows a graph comparing vibration amplitudes along a frequency spectrum at different operating frequencies of pulse tube coolers; and

la figura 6 muestra un gráfico comparativo de vibraciones en un sistema de enfriamiento de ejemplo a lo largo de un espectro de frecuencia cuando se altera la masa del sistema de enfriamiento criogénico. Figure 6 shows a comparative graph of vibrations in an example cooling system across a frequency spectrum when the mass of the cryogenic cooling system is altered.

Descripción detalladaDetailed description

Ahora se describirá un ejemplo de un método de reducción de ruido, junto con una descripción de un sistema de enfriamiento criogénico de ejemplo que incluye un elemento de ajuste de frecuencia de ejemplo. An example of a noise reduction method will now be described, along with a description of an example cryogenic cooling system that includes an example frequency adjustment element.

Con referencia ahora a la figura 1 y la figura 2, un procedimiento de un primer método de reducción de ruido de ejemplo se ilustra en general en 1 en la figura 1 y un sistema de enfriamiento criogénico de ejemplo se ilustra en general en 10 en la figura 2. Referring now to Figure 1 and Figure 2, a procedure of an example first noise reduction method is generally illustrated at 1 in Figure 1 and an example cryogenic cooling system is generally illustrated at 10 in the figure 2.

En el sistema 10 de enfriamiento criogénico, un refrigerador 12 de tubo de impulsos (PTR) está acoplado a un criostato 14. El criostato normalmente se monta en un armazón de soporte (no mostrado). Un acelerómetro 16 está en contacto con el criostato y está conectado a un controlador 18 al que el acelerómetro envía datos. El acelerómetro y el controlador constituyen el elemento de ajuste de frecuencia. In cryogenic cooling system 10, a pulse tube cooler (PTR) 12 is coupled to a cryostat 14. The cryostat is typically mounted on a support frame (not shown). An accelerometer 16 is in contact with the cryostat and is connected to a controller 18 to which the accelerometer sends data. The accelerometer and the controller constitute the frequency adjustment element.

En la etapa 101, el PTR 12 se hace funcionar a una primera frecuencia de funcionamiento. Esto se logra haciendo funcionar una válvula rotatoria (no mostrada) en el PTR en la primera frecuencia de funcionamiento. Adicionalmente, el PTR normalmente tiene componentes externos acoplados al mismo. Un ejemplo de un componente de este tipo es un compresor externo usado para hacer oscilar presiones altas y bajas para promover el movimiento del fluido de trabajo de 4He dentro del PTR. Un ejemplo adicional de un componente externo es una bomba o un sistema de bombeo. Los componentes externos acoplados al PTR (o a cualquier otro refrigerador mecánico de otros ejemplos) normalmente vibran durante el funcionamiento y, por tanto, dado que están acoplados al PTR, contribuyen a la frecuencia de funcionamiento del PTR. In step 101, the PTR 12 is operated at a first operating frequency. This is achieved by operating a rotary valve (not shown) in the PTR at the first operating frequency. Additionally, the PTR typically has external components attached to it. An example of such a component is an external compressor used to oscillate high and low pressures to promote movement of the 4He working fluid within the PTR. A further example of an external component is a pump or pumping system. External components coupled to the PTR (or any other mechanical cooler in other examples) normally vibrate during operation and therefore, since they are coupled to the PTR, contribute to the operating frequency of the PTR.

El PTR 12 se hace funcionar para enfriar un objetivo de enfriamiento (no mostrado) en el criostato 14 a una temperatura de funcionamiento de aproximadamente 3,5 K a 4,0 K. Una vez que el objetivo de enfriamiento ha alcanzado la temperatura de funcionamiento, en la etapa 102, se monitorizan las vibraciones dentro del criostato. Esto se consigue usando el acelerómetro 16 en contacto con el criostato. Esto permite observar vibraciones que provocan el desplazamiento dentro del criostato a lo largo de un espectro de frecuencia. The PTR 12 is operated to cool a cooling target (not shown) in the cryostat 14 to an operating temperature of approximately 3.5 K to 4.0 K. Once the cooling target has reached the operating temperature , in step 102, vibrations within the cryostat are monitored. This is achieved by using the accelerometer 16 in contact with the cryostat. This allows vibrations that cause displacement within the cryostat to be observed along a frequency spectrum.

El objetivo de enfriamiento pueden ser etapas de enfriamiento adicionales (no mostradas), tal como un refrigerador de dilución, un circuito de 3He o un circuito de 4He. Estos proporcionan un enfriamiento adicional hasta temperaturas más bajas, por ejemplo hasta aproximadamente 0,01 K. Las vibraciones provocadas por estas etapas de enfriamiento adicionales son significativamente menores que las vibraciones provocadas por el PTR 12 u otro refrigerador mecánico. Por supuesto, sería posible monitorizar y tener en cuenta cualquier contribución a las vibraciones dentro del sistema de tales etapas de enfriamiento adicionales. The cooling target may be additional cooling stages (not shown), such as a dilution refrigerator, a 3He loop, or a 4He loop. These provide additional cooling to lower temperatures, for example down to about 0.01 K. The vibrations caused by these additional cooling stages are significantly lower than the vibrations caused by the PTR 12 or other mechanical cooler. Of course, it would be possible to monitor and take into account any contribution to vibrations within the system from such additional cooling stages.

Tal como se señaló anteriormente, el PTR 12 tiene una primera frecuencia de funcionamiento. Debido al acoplamiento del PTR al criostato 14, el funcionamiento del PTR a esta frecuencia provoca una vibración primaria dentro del criostato a esta frecuencia debido al movimiento mecánico del PTR provocado por el funcionamiento de la válvula rotatoria. Además de la vibración primaria provocada por el PTR directamente debido a la primera frecuencia de funcionamiento, se provocan vibraciones secundarias en el criostato. Las vibraciones secundarias son cada una vibraciones a frecuencias más altas que la primera frecuencia de funcionamiento provocadas por armónicos de la primera frecuencia de funcionamiento. Los armónicos se generan en parte porque las oscilaciones mecánicas del PTR generadas por el funcionamiento de la válvula rotatoria no son sinusoidales. As noted above, the PTR 12 has a first operating frequency. Due to the coupling of the PTR to the cryostat 14, operation of the PTR at this frequency causes a primary vibration within the cryostat at this frequency due to the mechanical movement of the PTR caused by the operation of the rotary valve. In addition to the primary vibration caused by the PTR directly due to the first operating frequency, secondary vibrations are caused in the cryostat. Secondary vibrations are each vibrations at frequencies higher than the first operating frequency caused by harmonics of the first operating frequency. Harmonics are generated in part because the mechanical oscillations of the PTR generated by rotary valve operation are not sinusoidal.

Además, el criostato 14 tiene sus propias resonancias estructurales debido a la vibración de frecuencia natural del criostato. Esto se debe, al menos en parte, a los modos normales de oscilación del sistema de enfriamiento criogénico y sus diversos componentes, incluyendo el criostato. Las vibraciones pueden enviarse a un elemento de visualización (no mostrado). Cuando una resonancia estructural coincide con o se aproxima a un armónico de la frecuencia de funcionamiento del PTR, se determina la resonancia y el par armónico. El acoplamiento provoca una vibración dentro del criostato de una amplitud mayor que la amplitud de las respectivas vibraciones independientes que se habrían producido por cada uno de la resonancia o el armónico si estuvieran desacoplados. Additionally, the cryostat 14 has its own structural resonances due to the natural frequency vibration of the cryostat. This is due, at least in part, to the normal modes of oscillation of the cryogenic cooling system and its various components, including the cryostat. Vibrations can be sent to a display element (not shown). When a structural resonance coincides with or approaches a harmonic of the PTR operating frequency, the resonance and harmonic torque are determined. The coupling causes a vibration within the cryostat of an amplitude greater than the amplitude of the respective independent vibrations that would have been produced by each of the resonance or harmonic if they were uncoupled.

La salida del acelerómetro 16 proporciona lecturas de las vibraciones provocadas por los armónicos y las resonancias estructurales en un espectro de frecuencia. Las lecturas que se envían son la magnitud de las vibraciones en las frecuencias respectivas dentro de un intervalo de frecuencia. Basándose en la salida del acelerómetro, en la etapa 103, la primera frecuencia de funcionamiento del PTR 12 se modula ajustando la primera frecuencia de funcionamiento a una segunda frecuencia de funcionamiento. Esto se consigue mediante el controlador 18, que provoca que se altere la frecuencia de funcionamiento del PTR 12. Además, en ejemplos en los que los componentes externos acoplados al PTR se tienen en cuenta como parte de la frecuencia de funcionamiento del PTR, también puede aplicarse modulación a esos componentes para ajustar la frecuencia de las vibraciones que provocan y por tanto modular su contribución a la frecuencia de funcionamiento. Esto también se aplica a ejemplos que usan refrigeradores mecánicos alternativos. The output of accelerometer 16 provides readings of vibrations caused by harmonics and structural resonances over a frequency spectrum. The readings sent are the magnitude of the vibrations at the respective frequencies within a frequency range. Based on the output of the accelerometer, in step 103, the first operating frequency of the PTR 12 is modulated by adjusting the first operating frequency to a second operating frequency. This is achieved by the controller 18, which causes the operating frequency of the PTR 12 to be altered. Furthermore, in examples where external components coupled to the PTR are taken into account as part of the operating frequency of the PTR, it can also be Apply modulation to these components to adjust the frequency of the vibrations they cause and therefore modulate their contribution to the operating frequency. This also applies to examples using reciprocating mechanical coolers.

Al cambiar la frecuencia de funcionamiento del PTR 12, la frecuencia de los armónicos cambia. Incluso un pequeño cambio, tal como un cambio de aproximadamente 0,1 Hz a 0,5 Hz, es suficiente para limitar el grado en que cualquier armónico de la frecuencia de funcionamiento se acopla a una resonancia estructural del criostato 14. Esto reduce la cantidad total de vibración dentro del criostato, reduciendo así el ruido experimentado por cualquier muestra en el objetivo de enfriamiento. Para evitar aumentar los niveles de vibración cando se modula la frecuencia de funcionamiento del PTR, las vibraciones provocadas por la segunda frecuencia de funcionamiento pueden monitorizarse de la misma manera que las vibraciones provocadas por la primera frecuencia de funcionamiento. Si las vibraciones aumentan con la segunda frecuencia de funcionamiento, pueden realizarse ajustes adicionales en la frecuencia. Sin embargo, esto probablemente será innecesario ya que es posible determinar el efecto sobre las vibraciones de un cambio desde la primera frecuencia de funcionamiento hasta una segunda frecuencia de funcionamiento revisando la salida del acelerómetro 16 mientras se ajusta la frecuencia de funcionamiento. By changing the operating frequency of the PTR 12, the frequency of the harmonics changes. Even a small change, such as a change from about 0.1 Hz to 0.5 Hz, is sufficient to limit the degree to which any harmonic of the operating frequency couples to a structural resonance of the cryostat 14. This reduces the amount total vibration within the cryostat, thus reducing the noise experienced by any sample on the cooling target. To avoid increasing vibration levels when the operating frequency of the PTR is modulated, vibrations caused by the second operating frequency can be monitored in the same manner as vibrations caused by the first operating frequency. If vibrations increase with the second operating frequency, additional adjustments to the frequency can be made. However, this will probably be unnecessary since it is possible to determine the effect on vibrations of a change from the first operating frequency to a second operating frequency by checking the output of the accelerometer 16 while adjusting the operating frequency.

También deben tenerse en cuenta otros factores cuando se modula la frecuencia de funcionamiento del PTR 12. Uno de tales factores es el rendimiento térmico del PTR. Tal como se mencionó anteriormente, los PTR normalmente tienen una frecuencia de funcionamiento de aproximadamente 1,40 Hz. Esto se debe a que la temperatura de funcionamiento más baja y la mayor potencia de enfriamiento pueden alcanzarse aproximadamente a esta frecuencia de funcionamiento. Sin embargo, se ha descubierto que pueden usarse frecuencias de funcionamientos de PTR entre aproximadamente 1,20 Hz y aproximadamente 1,90 Hz para accionar un PTR sin tener un efecto demasiado perjudicial sobre la temperatura mínima que puede alcanzarse. Esto puede observarse en la figura 3, que muestra un gráfico de la temperatura de la parte más fría del PTR en comparación con la frecuencia de la válvula rotatoria. Other factors must also be taken into account when modulating the operating frequency of the PTR 12. One such factor is the thermal performance of the PTR. As mentioned above, PTRs typically have an operating frequency of approximately 1.40 Hz. This is because the lowest operating temperature and highest cooling power can be achieved at approximately this operating frequency. However, it has been discovered that PTR operating frequencies between about 1.20 Hz and about 1.90 Hz can be used to drive a PTR without having too detrimental an effect on the minimum temperature that can be achieved. This can be seen in Figure 3, which shows a graph of the temperature of the coldest part of the PTR compared to the frequency of the rotary valve.

A partir de la figura 3, puede observarse que a 1,20 Hz, la temperatura del cabezal del PTR es de aproximadamente 3,8 K (indicado por la línea 30 en la figura 3); a 1,40 Hz, la temperatura del cabezal del PTR es de aproximadamente 3,6 K (indicado por la línea 32 en la figura 3); y a 1,90 Hz, la temperatura del cabezal del PTR es de aproximadamente 3,8 K (indicado de nuevo por la línea 30 en la figura 3). Estos son los valores de temperatura máxima y mínima dentro de este intervalo de frecuencia. Por consiguiente, todavía es posible que el PTR proporcione enfriamiento a temperaturas inferiores a 4,0 K mientras funciona a una frecuencia distinta de 1,40 Hz. Al elegir una frecuencia de funcionamiento en un intervalo más limitado de 1,20 Hz a 1,90 Hz, el intervalo en las temperaturas del cabezal del PTR se reduce. Por ejemplo, en el intervalo de frecuencia de funcionamiento de 1,30 Hz a 1,50 Hz, el intervalo de temperatura es inferior a 0,1 K, tal como puede observarse en la figura 3. From Figure 3, it can be seen that at 1.20 Hz, the PTR head temperature is about 3.8 K (indicated by line 30 in Figure 3); at 1.40 Hz, the PTR head temperature is approximately 3.6 K (indicated by line 32 in Figure 3); and at 1.90 Hz, the PTR head temperature is approximately 3.8 K (again indicated by line 30 in Figure 3). These are the maximum and minimum temperature values within this frequency range. Therefore, it is still possible for the PTR to provide cooling at temperatures below 4.0 K while operating at a frequency other than 1.40 Hz. By choosing an operating frequency in a more limited range of 1.20 Hz to 1, 90 Hz, the range in PTR head temperatures is reduced. For example, in the operating frequency range of 1.30 Hz to 1.50 Hz, the temperature range is less than 0.1 K, as can be seen in Figure 3.

Sin embargo, fuera del intervalo de frecuencia de 1,20 Hz a 1,90 Hz, la temperatura del cabezal del PTR aumenta significativamente. Esto puede observarse en la figura 3, que muestra que por debajo de una frecuencia de 1,20 Hz, la temperatura del cabezal del PTR aumenta a aproximadamente 7,6 K a una frecuencia de 1,00 Hz. A una frecuencia de 2,00 Hz, el aumento de temperatura del cabezal del PTR es menos significativo. Sin embargo, todavía hay un aumento en la temperatura del cabezal del PTR y, aunque no se muestra en la figura 3, la temperatura continúa aumentando a medida que aumenta la frecuencia. However, outside the frequency range of 1.20 Hz to 1.90 Hz, the PTR head temperature increases significantly. This can be seen in Figure 3, which shows that below a frequency of 1.20 Hz, the PTR head temperature increases to approximately 7.6 K at a frequency of 1.00 Hz. At a frequency of 2, 00 Hz, the PTR head temperature rise is less significant. However, there is still an increase in the PTR head temperature and, although not shown in Figure 3, the temperature continues to increase as the frequency increases.

El efecto sobre las vibraciones dentro del criostato 14 cuando se hace funcionar el PTR 12 acoplado al criostato se muestra en la figura 4. Esto muestra dos gráficos que comparan la salida del acelerómetro 16 cuando el PTR no está funcionando con la salida del acelerómetro cuando el PTR está funcionando a una frecuencia de funcionamiento de 1,40 Hz. The effect on vibrations within the cryostat 14 when the PTR 12 coupled to the cryostat is operated is shown in Figure 4. This shows two graphs comparing the output of the accelerometer 16 when the PTR is not operating with the output of the accelerometer when the PTR is operating at an operating frequency of 1.40 Hz.

Cada uno de los gráficos muestra que el criostato usado para generar los gráficos tiene una resonancia estructural a aproximadamente 8,00 Hz y a aproximadamente 13,00 Hz. Esto se indica mediante el pico respectivo mostrado en cada una de estas frecuencias en cada gráfico. Si bien los picos en las resonancias estructurales son las características principales en el gráfico que muestra la salida del acelerómetro 16 cuando el PTR no está funcionando, el gráfico que muestra la salida del acelerómetro cuando el PTR está funcionando muestra picos adicionales. Estos picos se muestran a intervalos regulares en lo largo del espectro de frecuencia mostrado en la figura 3. Estos picos a intervalos regulares representan vibraciones provocadas por el PTR en la frecuencia de funcionamiento del PTR y en los armónicos de frecuencia de funcionamiento en cada múltiplo de la frecuencia de funcionamiento. Además, puede observarse a partir de este gráfico que un armónico respectivo coincide con cada una de las resonancias estructurales a aproximadamente 8,00 Hz y aproximadamente 13,00 Hz, lo que provoca que el armónico respectivo y la resonancia estructural respectiva se acoplen. Each of the graphs shows that the cryostat used to generate the graphs has a structural resonance at approximately 8.00 Hz and at approximately 13.00 Hz. This is indicated by the respective peak shown at each of these frequencies in each graph. While peaks in structural resonances are the main features in the graph showing the output of the accelerometer 16 when the PTR is not operating, the graph showing the output of the accelerometer when the PTR is operating shows additional peaks. These peaks are shown at regular intervals along the frequency spectrum shown in Figure 3. These peaks at regular intervals represent vibrations caused by the PTR at the operating frequency of the PTR and at the operating frequency harmonics at each multiple of the operating frequency. Furthermore, it can be seen from this graph that a respective harmonic coincides with each of the structural resonances at approximately 8.00 Hz and approximately 13.00 Hz, causing the respective harmonic and the respective structural resonance to couple.

Tal como se indica en la línea 40, el pico a aproximadamente 8,00 Hz cuando el PTR 12 no está funcionando muestra que las vibraciones a esta frecuencia provocan un desplazamiento de aproximadamente 100 nanómetros (nm). El pico a aproximadamente 13,00 Hz cuando el PTR 12 no está funcionando muestra que las vibraciones a esta frecuencia provocan un desplazamiento de aproximadamente 40 nm, tal como indica la línea 42. En comparación, el gráfico de la salida del acelerómetro cuando el PTR está funcionando muestra que el pico a aproximadamente 8,00 Hz y el pico a aproximadamente 13,00 Hz tienen cada uno una amplitud de desplazamiento de al menos 300 nm debido al acoplamiento de los respectivos armónicos y la respectiva resonancia estructural. Esto se indica en la línea 44 de la figura 4. Estas mediciones se tomaron usando un acelerómetro ubicado en el exterior de una placa superior del sistema y, por tanto, no en una región enfriada ni en un entorno en el que se aplica un vacío. As indicated on line 40, the peak at approximately 8.00 Hz when the PTR 12 is not operating shows that vibrations at this frequency cause a displacement of approximately 100 nanometers (nm). The peak at approximately 13.00 Hz when the PTR 12 is not operating shows that vibrations at this frequency cause a shift of approximately 40 nm, as indicated by line 42. In comparison, the graph of the accelerometer output when the PTR is working shows that the peak at approximately 8.00 Hz and the peak at approximately 13.00 Hz each have a displacement amplitude of at least 300 nm due to the coupling of the respective harmonics and the respective structural resonance. This is indicated on line 44 of Figure 4. These measurements were taken using an accelerometer located on the outside of a top plate of the system and therefore not in a cooled region or in an environment where a vacuum is applied. .

Para la resonancia estructural a aproximadamente 13,00 Hz, el aumento en la amplitud de desplazamiento desde aproximadamente 40 nm hasta al menos 300 nm es un aumento de al menos el 750 por ciento (%). Aunque es menor, el aumento en la amplitud de desplazamiento de la resonancia estructural a aproximadamente 8,00 Hz desde 100 nm hasta al menos 300 nm es un aumento de al menos un 300 %. Tal como se estableció anteriormente, la razón para estos aumentos en la amplitud de desplazamiento es que los armónicos de la frecuencia de funcionamiento del PTR se acoplan con las resonancias estructurales del criostato. Esto conduce a vibraciones de alta amplitud dentro del criostato en relación con las otras vibraciones presentes en el criostato cuando el PTR está en funcionamiento. Se ha descubierto que estas vibraciones provocan ruido en los datos que se generan en un experimento o procedimiento que se ejecuta en el criostato, lo que afecta significativamente a los experimentos y procedimientos de alta sensibilidad. For structural resonance at approximately 13.00 Hz, the increase in displacement amplitude from approximately 40 nm to at least 300 nm is an increase of at least 750 percent (%). Although minor, the increase in structural resonance shift amplitude at approximately 8.00 Hz from 100 nm to at least 300 nm is an increase of at least 300%. As stated above, the reason for these increases in displacement amplitude is that the harmonics of the PTR operating frequency couple with the structural resonances of the cryostat. This leads to high amplitude vibrations within the cryostat relative to the other vibrations present in the cryostat when the PTR is in operation. These vibrations have been found to cause noise in the data generated in an experiment or procedure running on the cryostat, significantly impacting highly sensitive experiments and procedures.

Un ejemplo de una disposición que se vería afectada por el movimiento dentro del criostato provocado por el acoplamiento de los armónicos de la frecuencia de funcionamiento del PTR a las resonancias estructurales en el criostato es uno que usa imanes superconductores. Disposiciones como estas se ven afectadas porque el movimiento provoca que se induzcan corrientes parásitas en la muestra debido al movimiento de la muestra que se produce en relación con el campo magnético generado. Estos, a su vez, provocan el calentamiento de la muestra, lo que afectará a las mediciones que pueden realizarse. Otro ejemplo de una disposición sensible a las vibraciones son las mediciones ópticas en el espacio libre de una muestra. En tal situación, una fuente óptica o detector que se usa para llevar a cabo las mediciones ópticas externas a la muestra no está fija en una posición en relación con la muestra, por lo que el movimiento de la muestra en relación con la fuente óptica externa o el detector afectaría a los datos recopilados. Por tanto, minimizar tal movimiento inducido por vibraciones mejoraría la calidad de los datos recopilados. An example of an arrangement that would be affected by motion within the cryostat caused by the coupling of harmonics of the PTR operating frequency to structural resonances in the cryostat is one that uses superconducting magnets. Arrangements such as these are affected because movement causes eddy currents to be induced in the sample due to the movement of the sample occurring relative to the generated magnetic field. These, in turn, cause heating of the sample, which will affect the measurements that can be made. Another example of a vibration-sensitive arrangement is optical measurements in the free space of a sample. In such a situation, an optical source or detector that is used to carry out optical measurements external to the sample is not fixed in a position relative to the sample, so movement of the sample relative to the external optical source or the detector would affect the collected data. Therefore, minimizing such vibration-induced motion would improve the quality of the collected data.

Para reducir la magnitud de las vibraciones, es necesario “desintonizar” el sistema de enfriamiento criogénico de modo que las resonancias estructurales ya no coincidan con los armónicos de la frecuencia de funcionamiento del PTR. Esto provoca un desacoplamiento del armónico y la resonancia estructural, reduciendo así la amplificación de las vibraciones provocadas por las resonancias estructurales y los armónicos. To reduce the magnitude of the vibrations, it is necessary to “detune” the cryogenic cooling system so that the structural resonances no longer coincide with the harmonics of the PTR operating frequency. This causes a decoupling of the harmonic and structural resonance, thus reducing the amplification of vibrations caused by structural resonances and harmonics.

Esto puede lograrse ajustando la frecuencia de funcionamiento del PTR. Esto permite que pueda aplicarse una desintonización aproximada durante la fabricación e instalación, seguida de una desintonización más precisa por parte del usuario si lo considera necesario una vez que haya añadido todo lo que desee al criostato. Esto se logra programando el controlador 18 para modular la frecuencia de funcionamiento del PTR acoplado al criostato. This can be achieved by adjusting the operating frequency of the PTR. This allows coarse detuning to be applied during manufacturing and installation, followed by more precise detuning by the user if deemed necessary once they have added everything they want to the cryostat. This is achieved by programming the controller 18 to modulate the operating frequency of the PTR coupled to the cryostat.

Modulando la frecuencia de funcionamiento del PTR, puede seleccionarse la frecuencia de funcionamiento óptima. Una demostración de esto puede observarse en la figura 5. Esta muestra gráficos de amplitudes de vibración en un criostato con una resonancia estructural a aproximadamente 19,00 Hz a lo largo de varias frecuencias de funcionamientos de PTR entre aproximadamente 1,43 Hz y aproximadamente 1,52 Hz. Estos muestran vibraciones provocadas por los armónicos duodécimo, decimotercero y decimocuarto de la frecuencia de funcionamiento del PTR y su efecto sobre la vibración provocada en la resonancia estructural a aproximadamente 19,00 Hz. By modulating the operating frequency of the PTR, the optimal operating frequency can be selected. A demonstration of this can be seen in Figure 5. This shows graphs of vibration amplitudes in a cryostat with a structural resonance at approximately 19.00 Hz over various frequencies of PTR runs between approximately 1.43 Hz and approximately 1 .52 Hz. These show vibrations caused by the twelfth, thirteenth and fourteenth harmonics of the PTR operating frequency and their effect on the vibration caused in the structural resonance at approximately 19.00 Hz.

En la figura 5, los armónicos de la frecuencia de funcionamiento del PTR se indican con la letra “n”. Esta figura muestra que el mayor grado de acoplamiento entre el decimotercer armónico y la resonancia estructural del criostato se produce a una frecuencia de funcionamiento de aproximadamente 1,47 Hz. Las vibraciones provocadas por este acoplamiento provocan un desplazamiento mayor de 900 nm en comparación con desplazamientos de aproximadamente 200 nm cuando la frecuencia de funcionamiento del PTR es de aproximadamente 1,43 Hz y aproximadamente 1,51 Hz. Tal como se indicó anteriormente, el acelerómetro usado para recopilar estas lecturas se instaló en el exterior de una placa superior del sistema y, por tanto, no en un entorno enfriado o en el que se aplicara vacío. In Figure 5, the harmonics of the PTR operating frequency are indicated by the letter “n”. This figure shows that the greatest degree of coupling between the 13th harmonic and the structural resonance of the cryostat occurs at an operating frequency of approximately 1.47 Hz. The vibrations caused by this coupling cause a displacement greater than 900 nm compared to displacements of approximately 200 nm when the operating frequency of the PTR is approximately 1.43 Hz and approximately 1.51 Hz. As noted above, the accelerometer used to collect these readings was installed on the exterior of a system top plate and , therefore, not in a cooled environment or in which a vacuum was applied.

La figura 5 también muestra que los cambios en la frecuencia de funcionamiento de aproximadamente 0,01 Hz también pueden tener un efecto significativo. Esto puede observarse comparando el pico del gráfico para una frecuencia de funcionamiento del PTR de aproximadamente 1,46 Hz con el pico del gráfico para una frecuencia de funcionamiento del PTR de aproximadamente 1,47 Hz. A una frecuencia de funcionamiento de aproximadamente 1,46 Hz, la vibración de mayor amplitud es aproximadamente 500 nm menor que la vibración de mayor amplitud provocada cuando la frecuencia de funcionamiento es de aproximadamente 1,47 Hz. Figure 5 also shows that changes in operating frequency of approximately 0.01 Hz can also have a significant effect. This can be seen by comparing the peak of the graph for a PTR operating frequency of approximately 1.46 Hz with the peak of the graph for a PTR operating frequency of approximately 1.47 Hz. At an operating frequency of approximately 1.46 Hz, the highest amplitude vibration is about 500 nm smaller than the highest amplitude vibration caused when the operating frequency is about 1.47 Hz.

Puede aplicarse un método para lograr un desacoplamiento adicional de un armónico de una resonancia estructural además de ajustar la frecuencia de funcionamiento del PTR. Este método adicional consiste en alterar la masa del sistema de enfriamiento criogénico ya que esto afectará a la frecuencia de las resonancias estructurales. A method can be applied to achieve additional decoupling of a harmonic from a structural resonance in addition to adjusting the operating frequency of the PTR. This additional method involves altering the mass of the cryogenic cooling system as this will affect the frequency of structural resonances.

La figura 6 muestra el efecto sobre las vibraciones en un criostato donde se aplica este método. El gráfico de la mitad superior de la figura 6 muestra la salida de un acelerómetro unido a un criostato al que está acoplado un PTR y que funciona a una frecuencia de aproximadamente 1,40 Hz. En el criostato usado para este ejemplo, hay una resonancia a aproximadamente 8,60 Hz. En el gráfico superior de la figura 6, puede observarse que la resonancia a aproximadamente 8,60 Hz está acoplada a uno de los armónicos de la frecuencia de funcionamiento del PTR (cada uno de los cuales está nuevamente representado por picos a intervalos regulares a lo largo del espectro de frecuencia mostrado en la figura), que se ha amplificado. Figure 6 shows the effect on vibrations in a cryostat where this method is applied. The graph in the upper half of Figure 6 shows the output of an accelerometer attached to a cryostat to which a PTR is coupled and operating at a frequency of approximately 1.40 Hz. In the cryostat used for this example, there is a resonance at approximately 8.60 Hz. In the top graph of Figure 6, it can be seen that the resonance at approximately 8.60 Hz is coupled to one of the harmonics of the PTR operating frequency (each of which is again represented by peaks at regular intervals along the frequency spectrum shown in the figure), which has been amplified.

El gráfico inferior mostrado en la figura 6 muestra la salida del acelerómetro para el mismo criostato con el mismo PTR funcionando a la misma frecuencia. Sin embargo, en este gráfico, la resonancia estructural se cambia a aproximadamente 7,60 Hz, lo que significa que ya no está acoplada con un armónico de la frecuencia de funcionamiento del PTR. Para lograr esto, se unió una masa de aproximadamente 100 kilogramos (kg) en el criostato, lo que dio como resultado una reducción en la amplitud de las vibraciones en el criostato. The bottom graph shown in Figure 6 shows the accelerometer output for the same cryostat with the same PTR operating at the same frequency. However, in this graph, the structural resonance is shifted to approximately 7.60 Hz, meaning that it is no longer coupled to a harmonic of the PTR operating frequency. To achieve this, a mass of approximately 100 kilograms (kg) was attached to the cryostat, resulting in a reduction in the amplitude of the vibrations in the cryostat.

Aunque este método logra una reducción en la amplitud de las vibraciones, se ha descubierto que ajustar la frecuencia de funcionamiento del PTR proporciona una mayor flexibilidad de la que es posible lograr usando este método adicional. Esto se debe a que cada criostato individual tiene sus propias resonancias estructurales únicas que están determinadas por cómo está construido el criostato y la disposición y masa de sus componentes, que varían (aunque sólo sea ligeramente) de un sistema a otro. Además, cualquier cosa que se añada a un criostato para un experimento o procedimiento, tal como una muestra, cambia la frecuencia de la resonancia estructural debido a la masa correspondiente que se añade al criostato. Dado que no se sabe exactamente durante la fabricación o instalación lo que añadirá un usuario a un criostato cuando lo use, no es posible desintonizar con precisión el criostato alterando su masa, por lo que cualquier desintonización adicional aplicada alterando la masa del criostato tiene el potencial de tener un efecto menos significativo que el previsto una vez que el criostato se configura según los deseos del usuario. Although this method achieves a reduction in vibration amplitude, it has been found that adjusting the operating frequency of the PTR provides greater flexibility than is possible using this additional method. This is because each individual cryostat has its own unique structural resonances that are determined by how the cryostat is constructed and the arrangement and mass of its components, which vary (if only slightly) from system to system. Additionally, anything added to a cryostat for an experiment or procedure, such as a sample, changes the frequency of the structural resonance due to the corresponding mass that is added to the cryostat. Since it is not known exactly during manufacturing or installation what a user will add to a cryostat when using it, it is not possible to precisely detune the cryostat by altering its mass, so any additional detuning applied by altering the mass of the cryostat has the potential to have a less significant effect than anticipated once the cryostat is configured according to the user's wishes.

Volviendo al método de ejemplo de reducción de ruido y al elemento de ajuste de frecuencia de ejemplo, hay dos procedimientos que pueden usarse para lograr la modulación de la frecuencia de funcionamiento. El primero de estos procedimientos es que un usuario revise la salida del acelerómetro. Entonces se usa el controlador del elemento de ajuste de frecuencia para ajustar la frecuencia de funcionamiento del PTR acoplado al criostato al que está unido el acelerómetro a una frecuencia adecuada basándose en la salida del acelerómetro. Esto se logra mediante el uso de un dial o interfaz de usuario (no mostrado) en el controlador que está vinculado al motor paso a paso (no mostrado) que hace rotar la válvula rotatoria del PTR provocando que la velocidad de rotación se ajuste en respuesta a una señal correspondiente desde el controlador. Returning to the example noise reduction method and the example frequency adjustment element, there are two procedures that can be used to achieve operating frequency modulation. The first of these procedures is for a user to review the accelerometer output. The frequency adjustment element controller is then used to adjust the operating frequency of the PTR coupled to the cryostat to which the accelerometer is attached to a suitable frequency based on the output of the accelerometer. This is achieved by using a dial or user interface (not shown) on the controller that is linked to the stepper motor (not shown) that rotates the rotary valve of the PTR causing the rotation speed to adjust in response. to a corresponding signal from the controller.

El segundo procedimiento es un procedimiento automatizado en el que se usa software para modular la frecuencia de funcionamiento del<p>T<r>en lugar del usuario. En este procedimiento, la salida del acelerómetro se analiza usando el software del controlador del elemento de ajuste de frecuencia. Esto identifica los picos provocados por vibraciones a lo largo del espectro de frecuencia y ajusta la frecuencia de funcionamiento del PTR a una frecuencia con el nivel de vibración más bajo o un nivel inferior usando técnicas de escaneo de frecuencia y análisis espectral, tales como las transformadas rápidas de Fourier. Naturalmente, en algunos ejemplos el usuario puede anular el software para elegir una frecuencia de funcionamiento alternativa para el PTR si lo desea. The second procedure is an automated procedure in which software is used to modulate the operating frequency of the<p>T<r>instead of the user. In this procedure, the accelerometer output is analyzed using the frequency adjustment element controller software. This identifies peaks caused by vibrations across the frequency spectrum and adjusts the operating frequency of the PTR to a frequency with the lowest vibration level or a lower level using frequency scanning and spectral analysis techniques, such as transforms. fast Fourier. Naturally, in some examples the user can override the software to choose an alternative operating frequency for the PTR if desired.

Si hay una parte del criostato que se considera particularmente sensible a las vibraciones, o es de mayor importancia, puede colocarse el acelerómetro en esa ubicación para que el usuario pueda centrar sus esfuerzos de reducción de vibraciones en esa parte del criostato. If there is a part of the cryostat that is considered particularly sensitive to vibration, or is of greater importance, the accelerometer can be placed in that location so that the user can focus their vibration reduction efforts on that part of the cryostat.

En algunos ejemplos, se usa un refrigerador Gifford-McMahon (GM), un enfriador Stirling o un refrigerador de dilución, que puede funcionar, por ejemplo, con una bomba de presión y/o un sistema de compresión, en lugar de un PTR. En un refrigerador GM, la frecuencia de funcionamiento de la válvula rotatoria se modula para reducir las vibraciones que genera; en un enfriador Stirling, la frecuencia de funcionamiento de los pistones se modula por la misma razón; y en un refrigerador de dilución, la frecuencia de funcionamiento de una bomba de presión y/o sistema de compresión acoplado a y usado con el refrigerador de dilución para ayudar a su funcionamiento se modula por la misma razón. In some examples, a Gifford-McMahon (GM) chiller, Stirling chiller or dilution chiller is used, which may be operated, for example, with a pressure pump and/or a compression system, instead of a PTR. In a GM refrigerator, the operating frequency of the rotary valve is modulated to reduce the vibrations it generates; In a Stirling cooler, the operating frequency of the pistons is modulated for the same reason; and in a dilution refrigerator, the operating frequency of a pressure pump and/or compression system coupled to and used with the dilution refrigerator to assist its operation is modulated for the same reason.

Además de las frecuencias de funcionamiento establecidas anteriormente, la frecuencia de funcionamiento de los refrigeradores mecánicos de 3 K usados en los ejemplos descritos en el presente documento, la mayoría de los refrigeradores de “mayor potencia” (dicho de otro modo, aquellos que se consideran capaces de enfriar hasta temperaturas de tan solo 3 K o inferiores y/o con una potencia de enfriamiento considerada alta) tienen todos ellos frecuencias de funcionamiento de aproximadamente 1 Hz a 2 Hz. Algunos enfriadores especializados de 3 K (por ejemplo, los usados para aplicaciones espaciales) funcionan a frecuencias más altas, normalmente de decenas o incluso cientos de Hertz. In addition to the operating frequencies set forth above, the operating frequency of the 3K mechanical coolers used in the examples described herein, most “higher power” coolers (in other words, those considered capable of cooling to temperatures as low as 3 K or lower and/or with cooling power considered high) all have operating frequencies of approximately 1 Hz to 2 Hz. Some specialized 3 K coolers (for example, those used for space applications) operate at higher frequencies, typically tens or even hundreds of Hertz.

Claims

REIVINDICACIONES

i.Método de reducción del ruido en un sistema (10) de enfriamiento criogénico, estando asociado el ruido sólo con un único refrigerador (12) mecánico que forma parte de dicho sistema de enfriamiento, comprendiendo el método:i.Method for reducing noise in a cryogenic cooling system (10), the noise being associated only with a single mechanical refrigerator (12) that is part of said cooling system, the method comprising:

monitorizar las vibraciones en el sistema de enfriamiento durante el funcionamiento del refrigerador mecánico;monitor vibrations in the cooling system during the operation of the mechanical cooler;

medir las amplitudes de vibración en las vibraciones monitorizadas y determinar el acoplamiento de la resonancia estructural y las funciones de transferencia para todo el sistema basándose en las amplitudes medidas; ymeasure the vibration amplitudes in the monitored vibrations and determine the structural resonance coupling and transfer functions for the entire system based on the measured amplitudes; and

modular una frecuencia de funcionamiento del refrigerador mecánico basándose en el acoplamiento de la resonancia estructural y las funciones de transferencia para reducir la amplitud de dichas vibraciones.modulate an operating frequency of the mechanical cooler based on the coupling of structural resonance and transfer functions to reduce the amplitude of said vibrations.

2. Método según la reivindicación 1, en el que modular la frecuencia de funcionamiento comprende ajustar la frecuencia de funcionamiento del refrigerador (12) mecánico desde una primera frecuencia hasta una segunda frecuencia.2. Method according to claim 1, wherein modulating the operating frequency comprises adjusting the operating frequency of the mechanical refrigerator (12) from a first frequency to a second frequency.

3. Método según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que modular la frecuencia de funcionamiento del refrigerador mecánico comprende modular la frecuencia de funcionamiento de un motor de accionamiento del refrigerador mecánico.3. Method according to claim 1 or claim 2, wherein modulating the operating frequency of the mechanical refrigerator comprises modulating the operating frequency of a driving motor of the mechanical refrigerator.

4. Método según la reivindicación 3, en el que el motor de accionamiento es un motor paso a paso, y preferiblemente puede controlarse la velocidad de paso del motor paso a paso.4. Method according to claim 3, wherein the driving motor is a stepper motor, and preferably the stepping speed of the stepper motor can be controlled.

5. Método según la reivindicación 3 o la reivindicación 4, en el que el motor de accionamiento acciona una válvula rotatoria del refrigerador mecánico durante el funcionamiento del refrigerador mecánico.5. Method according to claim 3 or claim 4, wherein the drive motor drives a rotary valve of the mechanical cooler during operation of the mechanical cooler.

6. Método según la reivindicación 5, en el que la frecuencia de funcionamiento es la frecuencia a la que rota la válvula rotatoria cuando está en uso.6. Method according to claim 5, wherein the operating frequency is the frequency at which the rotary valve rotates when in use.

7. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la frecuencia de funcionamiento es de entre aproximadamente 1,20 Hertz (Hz) y aproximadamente 1,90 Hz, y preferiblemente la frecuencia de funcionamiento es de entre aproximadamente 1,30 Hz y 1,50 Hz. 7. Method according to any one of the preceding claims, wherein the operating frequency is between approximately 1.20 Hertz (Hz) and approximately 1.90 Hz, and preferably the operating frequency is between approximately 1.30 Hz and 1.50 Hz.

8. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que un usuario modula la frecuencia de funcionamiento basándose en las vibraciones monitorizadas, o en el que la frecuencia de funcionamiento se modula automáticamente basándose en las vibraciones monitorizadas.8. Method according to any one of the preceding claims, wherein a user modulates the operating frequency based on the monitored vibrations, or wherein the operating frequency is automatically modulated based on the monitored vibrations.

9. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las vibraciones se monitorizan mediante una sonda (16) colocada en contacto con el sistema de enfriamiento, y preferiblemente la sonda (16) se coloca en contacto con un criostato (14) comprendido por el sistema de enfriamiento.9. Method according to any one of the preceding claims, wherein the vibrations are monitored by a probe (16) placed in contact with the cooling system, and preferably the probe (16) is placed in contact with a cryostat (14). included by the cooling system.

10. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que las vibraciones se monitorizan mediante una sonda (16) colocada en contacto con un objetivo de enfriamiento del sistema de enfriamiento.10. Method according to any one of claims 1 to 8, wherein the vibrations are monitored by a probe (16) placed in contact with a cooling target of the cooling system.

11. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la frecuencia de funcionamiento del refrigerador (12) mecánico se modula para desacoplar sustancialmente al menos un armónico de la frecuencia de funcionamiento de una resonancia estructural del sistema de enfriamiento 11. Method according to any one of the preceding claims, wherein the operating frequency of the mechanical cooler (12) is modulated to substantially decouple at least one harmonic of the operating frequency from a structural resonance of the cooling system

12. Método según la reivindicación 11, en el que el al menos un armónico de la frecuencia de funcionamiento y la resonancia estructural del sistema de enfriamiento se desacoplan sustancialmente ajustando la frecuencia de funcionamiento del refrigerador mecánico, y preferiblemente la frecuencia de funcionamiento se ajusta en al menos 0,01 Hz.12. Method according to claim 11, wherein the at least one harmonic of the operating frequency and the structural resonance of the cooling system are substantially decoupled by adjusting the operating frequency of the mechanical cooler, and preferably the operating frequency is adjusted at at least 0.01 Hz.

13. Elemento de ajuste de frecuencia, que comprende:13. Frequency adjustment element, comprising:

un detector (16) de vibraciones adaptado en uso para monitorizar las vibraciones en un sistema (10) de enfriamiento criogénico asociado sólo con un único refrigerador mecánico y medir las amplitudes de vibración en las vibraciones monitorizadas; ya vibration detector (16) adapted in use to monitor vibrations in a cryogenic cooling system (10) associated only with a single mechanical cooler and measure vibration amplitudes in the monitored vibrations; and

un controlador (18) adaptado para determinar el acoplamiento de la resonancia estructural y las funciones de transferencia para todo el sistema basándose en las amplitudes medidas y controlar una frecuencia de funcionamiento del refrigerador mecánico que forma parte del sistema de enfriamiento, en el que la frecuencia de funcionamiento se modula usando el controlador basándose en el acoplamiento de la resonancia estructural y las funciones de transferencia para reducir la amplitud de dichas vibraciones.a controller (18) adapted to determine the coupling of the structural resonance and transfer functions for the entire system based on the measured amplitudes and control an operating frequency of the mechanical cooler that is part of the cooling system, wherein the frequency The operating mode is modulated using the controller based on the coupling of structural resonance and transfer functions to reduce the amplitude of said vibrations.

14. Elemento de ajuste de frecuencia según la reivindicación 13, en el que el elemento de ajuste de frecuencia está adaptado para realizar el método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12.14. Frequency adjustment element according to claim 13, wherein the frequency adjustment element is adapted to perform the method according to any one of claims 1 to 12.

15. Sistema (10) de enfriamiento criogénico que comprende:15. Cryogenic cooling system (10) comprising:

un criostato (14);a cryostat (14);

un refrigerador (12) mecánico acoplado a dicho criostato; ya mechanical refrigerator (12) coupled to said cryostat; and

un elemento de ajuste de frecuencia según la reivindicación 13 o la reivindicación 14 adaptado en uso para monitorizar las vibraciones en el criostato y modular una frecuencia de funcionamiento del refrigerador mecánico.a frequency adjustment element according to claim 13 or claim 14 adapted in use to monitor vibrations in the cryostat and modulate an operating frequency of the mechanical refrigerator.